Capítulo 19. Fotosíntesis.

Transcripción

1 Capítulo 19. Fotosíntesis. Señalábamos en el capítulo anterior que las células vegetales tienen la capacidad de tomar el 2 del aire y (junto con agua) transformarlo en compuestos orgánicos, monosacáridos en primera instancia, almacenando la energía electromagnética que capturan del sol en estos compuestos en forma de energía química. Es a partir de esta materia (orgánica) y energía (química) que las células vegetales primariamente, y cualquier célula animal luego, llevan a cabo todas las reacciones químicas propias del metabolismo. Como se vio, esto lo resumimos en la ecuación 1. hv n 2 + n 2O (C 2O)n + no 2 {ecuación 1} Conviene recordar que la ecuación 1 no describe una reacción única, es decir no existe una reacción química tal en la célula, sino que es una representación de un gran número de reacciones químicas mediante las cuales se lleva a cabo la totalidad del proceso de fotosíntesis. Todas estas reacciones y procesos se pueden dividir en dos grandes etapas, una fotoquímica, o de reacciones fotoquímicas, y otra estrictamente bioquímica, o de reacciones bioquímicas (Figura 1). Figura 1. Esquema de las dos grandes etapas en las que se divide la fotosíntesis. En la primera parte, la energía electromagnética (luz solar) es capturada por una serie de moléculas especiales llamadas pigmentos, y es transformada en energía química. En este proceso el agua se oxida a + y O2 (que se libera a la atmósfera), y los electrones que de ella se desprenden son transportados a través de una serie de sustancias intermediarias ubicadas en la membrana tilacoidal que consecuentemente se van reduciendo (tomando e - ) y oxidando (liberando e - ). Finalmente los electrones liberados del agua reducen al NADP + a NADP, que es donde en primera instancia se almacena parte de la energía capturada por los pigmentos. Otra parte de dicha energía se almacena en ATP por medio de un proceso quimio-osmótico (fuerza protón-motriz). Posteriormente la energía química almacenada en NADP y ATP, se utiliza para fijar y reducir el C inorgánico (2 del aire) a C orgánico (carbohidratos) en las reacciones bioquímicas. 199

2 Absorbancia La luz como fuente de energía. Pigmentos fotosintéticos Repasemos algunos conceptos de Física concernientes a las propiedades de la luz. Llamamos luz a las ondas electromagnéticas de longitud de onda variable que se desplazan a una velocidad de Km s -1 (velocidad de la luz) y que nuestra vista puede distinguir. El rango de longitud de onda que nuestros ojos perciben se extiende aproximadamente entre los 400 y los 700 nm (un nm es 10-9 m) y se corresponde con los diferentes colores del arco iris, o los que se obtienen al descomponerse la luz blanca cuando pasa por un prisma. Es decir, los colores violeta y azul corresponden a los nm, verde y amarillo a nm, y naranja-rojo entre nm. Por debajo de los 400 nm se encuentran las radiaciones ultravioleta (UV), rayos X, gamma, etc. Por encima de los 700 nm está el rojo lejano, los rayos infrarrojos, las ondas de radio y, finalmente las de TV (longitudes de onda en metros). En la Figura 2 se encuentra representada la distribución de las radiaciones, en donde se describen los espectros de absorción de los diferentes pigmentos fotosintéticos. RAYOS X ULTRAVIOLETA AZUL VERDE ROJO ROJO LEJANO INFRARROJO 1,0 0,8 clorofila b 0,6 clorofila a 0,4 carotenoides 0,2 0, Longitud de onda (nm) Figura 2. Clasificación de la energía electromagnética solar (colores y longitudes de onda) y espectro de absorbancia de los diferentes pigmentos fotosintéticos. El contenido en energía que poseen las diferentes radiaciones se expresa en las ecuaciones 2 y 3. E=h {ecuación 2} 200

3 h =hc/ {ecuación 3} Donde un E (Einstein) es la energía contenida en un mol, fotón o quantum (del latín que significa cantidad definida o paquete) de luz, h la constante de Planck (1,584 x J s -1 ), la frecuencia con que la luz ondula, que a su vez es directamente proporcional a la velocidad de la luz c (3 x 10 8 m s -1 ) dividida por la longitud de onda (m). aciendo los cálculos respectivos se concluye en que a medida que disminuye la longitud de onda mayor es la energía de un fotón de luz. En otras palabras, un fotón de luz azul contiene más energía que uno de luz roja. Los diferentes pigmentos fotosintéticos absorben luz, es decir energía electromagnética, debido a sus estructuras de resonancia determinadas por la presencia de enlaces insaturados (con hibridización sp 2 ) de tipo conjugado (alternados). En las figuras 3 y 4, están representadas las moléculas de los dos tipos de pigmentos más comunes en las células vegetales, cuya estructura química se estudió anteriormente en la parte correspondiente a lípidos. La Figura 3 muestra a las clorofilas a y b, donde se puede apreciar la estructura de resonancia establecida por los anillos tetrapirrólicos nucleados alrededor del catión Mg (nótese que la única diferencia estructural entre las clorofilas a y b, reside en el grado de oxidación del C del anillo II que está oxidado a aldehído en la segunda). El mismo tipo de estructura resonante se puede observar en la Figura 4, con la molécula de β-caroteno. O O 3 C O C 3 O C 3 C 3 C 3 C 3 3 C R N N Mg N N C 3 O R clorofilas C 3 clorofila a clorofila b C 3 2 C C 3 Figura 3. Estructura de las moléculas de clorofila a y b. 3 C C 3 C 3 C 3 3 C 3 C C 3 C 3 β-caroteno C 3 C 3 Figura 4. Estructura del β-caroteno. 201

4 De modo que cuando un pigmento fotosintético absorbe un fotón (quantum) de luz, esta energía electromagnética se transmite a través de las estructuras de resonancia no sólo a lo largo de la molécula de ese pigmento, sino que también a través de otras moléculas del mismo tipo y aún a las de otros pigmentos. Es decir, en el caso que una molécula de β- caroteno absorba energía, la misma se transmite a todos los enlaces de la molécula y de ahí pasa a otras moléculas, ya sea también de caroteno o de clorofila. Estructura del aparato fotosintético El proceso fotosintético ocurre en su totalidad en los cloroplastos, que son organelas presentes en las células vegetales. Los cloroplastos están envueltos en una doble membrana y, en su interior, se destaca una estructura membranosa característica, constituida por apilamientos de discos tilacoides que son como bolsas cerradas. En las membranas que constituyen estos discos tilacoides están incluidos los pigmentos fotosintéticos, clorofilas y carotenoides. Éstos se encuentran anclados a la parte lipídica de la membrana por sus porciones hidrofóbicas. La porción del cloroplasto que no corresponde a los discos tilacoides y la estructura membranosa que los interconecta, recibe el nombre de estroma. Una representación esquemática de un cloroplasto típico con su estructura de discos tilacoides se puede observar en la parte superior de la Figura 5, mientras que en la parte inferior de la misma se muestra un esquema de la estructura tilacoidal con los fotosistemas y la ATP-sintetasa. CLOROPLASTO membrana externa membrana interna lamelas grana (pila de tilacoides) disco tilacoide estroma lumen membrana PS II PS I ATP sintasa Figura 5. Representación esquemática de un cloroplasto. 202

5 En las membranas de los tilacoides los pigmentos fotosintéticos están agrupados en complejos antena, constituidos por unas 200 moléculas de clorofilas además de carotenoides y también proteínas. Estos complejos antena llamados así porque actúan recolectando la luz, son parte del Fotosistema I (PSI) y Fotosistema II (PSII), en donde el pico de absorción de radiación para cada caso es de 700 y 680 nm, respectivamente. Fase fotoquímica Cuando el complejo antena de los Fotosistemas I o II absorben un fotón de luz, la energía electromagnética capturada que se transmite a través de las estructuras de resonancia de las moléculas de los pigmentos fotosintéticos, aumenta el contenido de energía de un electrón de la molécula. Este aumento en la energía lleva al electrón a un nivel energético superior, y posteriormente éste comienza a volver hacia el nivel energético basal. En este caso pueden ocurrir una de las cuatro situaciones que siguen: a) que devuelva la energía en forma de calor; b) que devuelva la energía en forma de luz, en cuyo caso lo hace en un rango de onda diferente, proceso que recibe el nombre de fluorescencia (es decir, la luz capturada es reemitida); c) que la energía se transmita a otra molécula de pigmento (clorofila o caroteno) que a su vez se excita; d) que el electrón se transfiera a otro compuesto, reduciéndolo. La última alternativa es la que ocurre en el proceso fotosintético, y es la etapa crucial en la que la energía luminosa se transforma en energía química, por lo que recibe el nombre de etapa fotoquímica. Este proceso es único en la biosfera y constituye el paso trascendental que determina la captura de energía necesaria para que la vida ocurra. En otras palabras, aquí es cuando se toma la energía necesaria para hacer que el balance de entropía resulte negativo y las células de los seres autótrofos, y por extensión el resto de células de los heterótrofos, puedan llevar a cabo todas las reacciones químicas que comprenden su metabolismo. La reacción puede resumirse en la ecuación 4. Cl + A + h Cl* + A Cl + + A - {ecuación 4} Donde la clorofila (Cl) en presencia de una sustancia aceptora de electrones (A) y de luz (h ), primero entra en un estado excitado (Cl*) pasando luego a un estado oxidado (Cl + ) al perder un electrón que reduce al aceptor (A - ). La mayoría de los pigmentos actúan como moléculas antena, los cuales absorben la luz y transportan la energía, de manera rápida y eficiente, hasta el centro de reacción. En el centro de reacción se encuentran moléculas de clorofila específicas, que se encargan de transformar la luz en energía química. La molécula de clorofila en estado excitado promueve un electrón a un orbital de mayor energía, el cual es transferido a un aceptor de e - cercano y así comenzar la cadena transportadora de e - (fase lumínica de la fotosíntesis). Al perder el e - el centro de reacción adquiere carga negativa hasta tomar otro e - de una molécula dadora de e - vecina (Figura 6). Así comienza la serie de reacciones de oxidación-reducción que se describe a continuación. 203

6 luz moléculas de pigmentos (clorofilas α y β y carotenoides) e - aceptor Centro de reacción e - dador complejo antena Figura 6. Representación esquemática de la etapa fotoquímica de la fotosíntesis. La Figura 7 describe con detalle la sumatoria de procesos de transferencia de electrones que ocurren en los tilacoides. En ella está representada una sección de la capa bilipídica de la membrana del tilacoide, en la que se hallan enclavados los complejos antena que contienen los pigmentos que capturan la luz, es decir los PSI y PSII, más otra serie de compuestos intermediarios que actúan en el transporte de electrones. Cuando un quantum de luz es capturado por el PSII, éste pierde un electrón que reduce a un aceptor, la plastoquinona (PQ) que pasa a un estado reducido tomando, además del electrón que viene de la clorofila centro de reacción del PSII, + del medio acuoso externo al tilacoide. Como la clorofila a del PSII quedó oxidada, toma a su vez electrones del 2O que se oxida dando + y O2. Posteriormente la PQ2 se oxida cediendo electrones a un complejo de proteínas llamado citocromo b6 y f (Cit-b6f) que se reduce, y liberando + al medio acuoso del interior del tilacoide (lumen). A su vez el complejo citocromo b6 y f cede electrones a la plastocianina (PC), y ésta al PSI que se oxidó al capturar energía electromagnética. El PSI reduce a una cadena de proteínas cuyo último representante es la ferredoxina (Fdx), y ésta finalmente reduce al NADP + que se transforma en NADP tomando + del medio acuoso del exterior del tilacoide. En síntesis, el transporte acíclico de electrones desde 2O hasta NADP + se hace en contra de un gradiente de energía química, ya que el contenido energético, es decir el potencial redox, de las moléculas de 2O es muy inferior al del NADP. Este trabajo cuesta arriba es posible gracias a la energía electromagnética capturada por los pigmentos fotosintéticos en los PSI y PSII. estroma membrana tilacoidal fotón PS II e - + PQ e - PQ 2 Cit-b6f PC fotón NADP + + Fdx PS I e - + ADP + Pi NADP + ATP sintasa ATP lumen 2 2 O O Figura 7. Representación esquemática de la etapa fotoquímica de la fotosíntesis. 204

7 Sin embargo, el proceso de reducción de un oxidante muy fuerte como es el NADP + por parte de un reductor débil como lo es el 2O, no es la única forma de aprovechar la energía capturada. El resto de la energía electromagnética apresada por los pigmentos fotosintéticos se almacena en enlaces de fosfato de alta energía del ATP. Esto es posible por el propio proceso de transporte de electrones, ya que cuando la PQ se reduce toma + del medio acuoso del exterior del tilacoide, mientras que cuando se oxida libera estos + al medio acuoso del interior del mismo (lumen). Asimismo, en la oxidación del 2O se liberan + también al interior del tilacoide. Finalmente, la reducción del NADP + conlleva a la toma de + del medio acuoso del exterior del tilacoide (estroma). Como vimos, al estudiar la estructura química de la membrana, ésta no es permeable al paso de sustancias que tienen carga, como es el caso de los + (en cambio el O2, al no tener carga neta atraviesa libremente la capa bilipídica). En definitiva, el mecanismo de transporte de electrones a lo largo de la membrana tilacoidal trae como consecuencia una acumulación de + en el interior del tilacoide. Esto se manifiesta en un diferencial de p que normalmente alcanza un valor de 2 órdenes de magnitud, es decir la cantidad de protones en el interior es 100 veces mayor que en el exterior. Dicho de otra manera el p tiene valores de 5 dentro y de 7 fuera. Este diferencial en la concentración de + a ambos lados de la membrana constituye lo que se conoce como la fuerza protón-motriz, cuya única vía de escape la constituye el canal de una proteína (enzima) transmembrana, la + -ATP-sintetasa (Figura 7). Al escapar a través del canal de la subunidad CF0 de esta enzima, los + movilizan la subunidad CF1 y constituyen la energía que la hace sintetizar ATP a partir de ADP y Pi. Un aspecto adicional es que existe un transporte cíclico de electrones, tal como se indica en la Figura 7, donde los electrones del complejo Cit-b6f reducen otra vez a la PQ, incrementando de este modo la cantidad de ATP que produce la célula. De este modo, por medio del transporte de electrones tilacoidal, la célula obtiene ATP y NADP, que son los compuestos en los que primariamente se almacena la energía de la luz (electromagnética) convertida ahora en energía química fundamental para la funcionalidad del sistema célula. Fase bioquímica. Asimilación de 2. El ciclo de Calvin-Benson asta este punto hemos visto con cierto detalle cómo las células vegetales capturan la energía de la luz. Veamos ahora cómo se forma la materia orgánica. La primera reacción clave en este proceso es la fijación del 2 del aire para transformarlo en C orgánico. Esta reacción ocurre también en los cloroplastos pero en la parte del estroma. La reacción está resumida en la Figura 8. Una pentosa, la ribulosa-1,5-bifosfato (RuBP), es decir un monosacárido que está activado con enlaces fosfato de alta energía actúa como el receptor que, al unírsele una molécula de 2 da origen a dos moléculas de ácidos orgánicos fosforilados, el ácido 3-fosfoglicérico (3PG). En esta reacción el primer compuesto formado es un enodiol de 6 átomos de C pero su vida media es tan corta que se considera que el 3PG es el primer producto estable. La reacción es catalizada por una enzima, integrada por 16 subunidades, la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa-oxigenasa o, como se la conoce habitualmente, RUBIS. Esta enzima es la más abundante en la naturaleza, ya que es la responsable de la fijación de 100 billones de toneladas de 2 por año. Este inmenso trabajo de construcción de materia orgánica se hace principalmente en los mares a través del fitoplancton (organismos fotosintéticos). El Km de esta enzima es muy bajo hacia el sustrato, es decir tiene alta afinidad por el 2, que se encuentra en concentraciones 205

8 mínimas en el aire (300 mg L -1, 300 ppm, o 0,03% en peso del aire; el N2 representa el 79% y el O2 el 20%). O C 2 OPO 3 2- RUBIS 2-2- ribulosa 1,5-bi-fosfato ácido 3-fosfoglicérico Figura 8. Reacción de fijación del 2 catalizada por la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa-oxigenasa (RUBIS). Sin embargo, hasta ahora el C ha sido fijado a una molécula orgánica (3PG) pero todavía debe incorporar la energía acumulada en ATP y NADP durante la fase fotoquímica, para llegar a constituir monosacáridos, fundamentalmente glucosa, que será luego la base del metabolismo celular. La sumatoria de reacciones que llevan a la formación de glucosa a partir de 3PG está representada en la Figura 9. 3PG ATP ADP BPG NADP NADP DAP G3P F1,6-diP Pi F6-P G6-P Pi Glucosa Figura 9. Representación esquemática de las reacciones que conducen a la síntesis de glucosa a partir de ácido 3-fosfoglicérico. 206

9 En un primer paso el 3PG se fosforila por acción de una enzima quinasa (que transfiere P) con gasto de ATP generando bifosfoglicerato (BPG), es decir adquiere un estado energético superior. Posteriormente, la acción de una deshidrogenasa con gasto de NADP y pérdida de un fosfato, da origen al gliceraldehído-3-fosfato (G3P), que es una triosa fosforilada, es decir se trata del primer azúcar que se forma a partir de la fijación y reducción del 2 del aire. Parte del G3P, por acción de una isomerasa, se transforma a su isómero de función, la dihidroacetona fosfato (DAP), y la posterior unión de ambos por una aldolasa da origen a fructosa 1,6-bifosfato (FBP). La FBP por acción de una fosfatasa pierde un fosfato formando fructosa-6-fosfato (F6P), que luego es isomerizada por una isomerasa a glucosa- 6-fosfato (G6P). Finalmente una fosfatasa hidroliza el enlace P dando origen a glucosa. Es claro que para que este sistema funcione, además de todas las enzimas necesarias para catalizar las reacciones respectivas, necesita de los sustratos correspondientes. Estos son ATP, NADP (ambos formados en la fase fotoquímica del proceso), 2 (tomado del aire) y el aceptor de 2, RuBP. Para ello la célula utiliza parte del C fijado para regenerar el aceptor. Por un simple cálculo estequiométrico resulta que de cada 6 moles de C fijado, 1 va a la síntesis de glucosa mientras que los otros 5 son destinados a la reposición del aceptor. En este caso las triosas P dan origen a diversos monosacáridos, entre ellos tetrosas y heptosas, que finalmente dan lugar a la regeneración del aceptor con gasto de ATP, ya que recordemos que dicho aceptor debe estar activado por medio de bi-fosforilación. Es decir entonces que las reacciones bioquímicas de la fotosíntesis cumplen un ciclo metabólico, llamado así porque la cadena de reacciones comienza y termina con un mismo compuesto, en este caso la ribulosa-1,5 bifosfato. A este ciclo ingresan 2 y energía (en forma de ATP y NADP) y se obtiene como ganancia neta glucosa. Un aspecto a notar es que la cantidad de ATP que se necesita por cada vuelta del ciclo es mayor que la de NADP (relación de 3 ATP a 2 NADP), ya que el ATP extra se usa en la regeneración del aceptor. Este ATP adicional se obtiene en el transporte cíclico de electrones de la fase clara (fotoquímica). Una representación esquemática de este ciclo se encuentra en la Figura 10. Este ciclo recibe el nombre de Ciclo de Calvin-Benson en honor a sus descubridores (Melvin Calvin recibió el premio Nobel de Química por sus hallazgos), pero también se lo nombra como fase oscura (para diferenciarlo de la fase fotoquímica o clara), o fase bioquímica de la fotosíntesis. Como resumen podemos decir que en este ciclo se pueden diferenciar tres fases: una primera de fijación del C (formación de 3PG), una segunda de reducción del C (formación de G3P que luego deriva en glucosa) y una tercera de regeneración del aceptor de C (la ribulosa-1,5-bifosfato). Finalmente, la fotosíntesis sumada de bacterias, algas y plantas da como resultado para la biosfera: a) la construcción de la materia orgánica del sistema, b) la captura de la energía del sol para asegurar el funcionamiento de dicho sistema, c) el mantenimiento del balance de gases O2/2 a nivel atmosférico para permitir la vida de los animales. 207

10 ATP 12 C O 12 ADP 3PG 6 C O C O C O Ru1-5BP Ciclo Calvin-Benson 12 C O BPG 12 NADP 6 ADP C 2 O 12 NADP 6 ATP 6 C C O O 12 C O C O G3P Ru5P O C 2 O O O Glucosa O O Figura 10. Ciclo de Calvin-Benson. La RUBIS no trabaja sólo como carboxilasa. Fotorrespiración Un hecho significativo es que la RUBIS es una enzima que si bien tiene una alta afinidad (bajo Km) hacia el 2, cuando las concentraciones de 2 bajan demasiado (de unos 300 mg L -1 a menos de 50 mg L -1 ), comienza a trabajar como oxigenasa. Las reacciones que ocurren en este caso se describen en la Figura 11; en vez de formar dos moléculas de 3PG, no fija 2 sino que oxida el aceptor (RuBP) a una molécula de 3PG y otra de fosfoglicolato (2PG). Posteriormente el 2PG se oxida y se termina liberando nuevamente 2 o sintetizándose otros compuestos como aminoácidos. En este proceso, que recibe el nombre de fotorrespiración (ya que ocurre en presencia de luz), en vez de asimilarse C se oxida el aceptor, por lo que constituye una vía oxidativa de escape de materia y energía. asta ahora no existe una explicación satisfactoria sobre la ventaja evolutiva de este mecanismo en la célula. 208

11 C 2 OPO 3 2 C O RUBIS ribulosa 1,5-bifosfato O 2 O - + 3PG 3PG + + 3PG 2PG Figura 11. Representación esquemática de la actividad carboxilasa u oxigenasa de la RUBIS. Otras formas de asimilación del Carbono. Ciclo de C4 Al mismo tiempo que Calvin y su equipo describían las reacciones del metabolismo que explican la asimilación del 2 y su transformación en azúcares, algunos investigadores no encontraban los mismos resultados. En no pocos casos, obtenían como primer producto estable del proceso fotosintético un compuesto de 4 átomos de C, el oxaloacetato (Figura 12). Lo que ocurría es que Calvin y su grupo trabajaban con algas, mientras que estos investigadores lo hacían con otras especies, como maíz. En concreto, lo que ocurre es que existen modos alternativos de fijar el 2, dependiendo de las especies vegetales. Algunas plantas de clima templado-frío como la vid, trigo, duraznero, poseen sólo el ciclo de Calvin, y se llaman plantas con metabolismo C3 de fijación de C, es decir plantas C3. Mientras que otras especies de climas más cálidos como maíz, sorgo, caña de azúcar, fijan 2 en primera instancia a oxaloacetato, actuando como aceptor el fosfoenolpiruvato (PEP) por acción de una enzima carboxilativa, la PEP carboxilasa. Este proceso sucede con la participación de 2 tipos de cloroplastos ubicados en diferentes partes de la hoja de la planta. En uno de los tipos de cloroplastos que está ubicados en el parénquima de la hoja ocurre la fijación del 2 con la formación de ácidos orgánicos. Estos ácidos orgánicos, malato (acido málico) por ejemplo, son transportados a otros cloroplastos ubicados en células de la vaina que rodean los haces conductores (estructura Kranz), donde se decarboxilan liberando el 2, que ingresa al ciclo de Calvin, originando piruvato que vuelve a las células del mesófilo para regenerar el aceptor (PEP; Figura 11). De hecho los ácidos orgánicos sintetizados en primera instancia actúan como transportadores de 2 hacia las células de la vaina, donde mantienen una concentración adecuada del mismo, lo que posibilita que la RUBIS trabaje siempre como carboxilasa y no como oxigenasa. En este ciclo metabólico por cada mol de 2 que se fija se consume una cantidad adicional de NADP y ATP a los que se gastan en el ciclo de Calvin, los que son también suplidos por la fase fotoquímica de la fotosíntesis. De modo que no ocurre fotorrespiración, y estas plantas reciben el nombre de plantas C4, en referencia a que el primer compuesto estable resultante de la fijación de 2 es de 4 C. 209

12 Célula del mesófilo Célula de la vaina NADP C 2 oxaloacetato NADP C 2 malato C 2 malato Pi NADP PEP carboxilasa NADP 2 RUBIS 2 ATP + P i PO 3 2- Ciclo de Calvin C 2 C 3 C 3 fosfoenolpiruvato AMP + PP i piruvato piruvato glucosa Figura 12. Esquema de la fijación de 2 catalizada por la PEP carboxilasa y la RUBIS en plantas con metabolismo C4. Metabolismo CAM del C Una alternativa o variante del metabolismo de C4 es el metabolismo CAM (abreviatura del inglés de Crassulacean Acid Metabolism). Este tipo de metabolismo de asimilación del C es propio de plantas de hábitats secos y no es exclusivo de la familia de las Crasuláceas. Tiene la particularidad de ser similar al de plantas C4, pero en vez de estar separadas las fases carboxilativas en el espacio, lo están en el tiempo. Este tipo de plantas tiene sus estomas abiertos durante la noche (lo que permite el ingreso de 2) y cerrados durante el día (lo que hace que no pierdan agua). Durante la noche, la PEP carboxilasa asimila en 2 dando malato en el citosol. Este malato, es transportado a la vacuola donde será almacenado. En el día, el malato es transportado al cloroplasto donde es decarboxilado para dar piruvato y 2 el cual será fijado por la RUBIS en el Ciclo de Calvin. La elevada concentración interna de 2 no permite que la RUBIS actúe como oxigenasa, de modo que las células de estas plantas no fotorrespiran. El piruvato resultante es convertido primero a triosa fosfato y luego a almidón o sacarosa. Durante la noche, el almidón es degradado para regenerar el aceptor de 2, PEP (Figura 13). 210

13 Noche Pi NADP PO 3 PEP C 2 C 2 C 2 carboxilasa NADP PEP 2 oxaloacetato malato Vacuola Día RUBIS 2 NADP C 2 malato Ciclo de Calvin C 2 NADP Glucosa C 3 piruvato malato Figura 13. Esquema de la fijación de 2 catalizada por la PEP carboxilasa y la RUBIS en plantas con metabolismo CAM. Destino de los azúcares En cualquiera de los ciclos metabólicos de asimilación ya vistos, el C y la energía capturados terminan formando glucosa. La Figura 14 muestra en forma esquemática el destino de la glucosa formada. A medida que se sintetiza, la glucosa-6p se isomeriza por una enzima isomerasa a glucosa-1p y, con gasto de ATP, forma un nucleótido (más adelante se estudiará este tipo de compuestos en la síntesis de ácidos nucleicos) de ADP, el ADP-glucosa por acción de una enzima ADP glucosa pirofosforilasa. Éste constituye el modo en que la glucosa se transfiere a cadenas de amilosa pre-existentes por acción de una enzima almidón sintasa, que de esa forma van formando la molécula de almidón. Es decir, que en definitiva el C y la energía de los asimilados se acumulan de forma transitoria (durante las horas del día) en los cloroplastos. La serie de reacciones que llevan a la formación de almidón son reversibles, y durante la noche la célula hidroliza nuevamente el almidón a glucosa para que sea transportado fuera del cloroplasto. La glucosa-6p sale del cloroplasto y se isomeriza en el citosol a glucosa-1p y, en este caso con gasto de uridina-trifosfato (UTP), se forma el nucleótido UDP-glucosa por acción de una ADP glucosa pirofosforilasa. Por medio de una sacarosa fosfato sintasa se transfiere unidades de glucosa a la fructosa-6p para formar sacarosa. La sacarosa es la forma en que el C se re-distribuye al resto de células de la planta, donde es hidrolizada por una invertasa que libera los monosacáridos (glucosa y fructosa) que pueden ser metabolizados para liberar energía o ir a la síntesis de almidón (reserva) o celulosa (estructura). 211

14 Todas estas reacciones son catalizadas por diferentes enzimas que son activadas o desactivadas de acuerdo a las condiciones de p del cloroplasto o del citosol, que a su vez son influidas por la fotosíntesis misma. Cloroplasto Glucosa-6P Citosol Glucosa-6P Glucosa-1P Glucosa-1P P i ATP P i UTP Amilosa (n) ADP-Glu Amilosa (n-1) UDP-Glu Fructosa-6P UDP Almidón Sacarosa Celulosa Almidón Figura 14. Esquema de los diferentes destinos de la glucosa. 212